Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf et de l'Université de technologie de Dresde ont découvert le mécanisme d'adsorption de l'eau dans certains matériaux microporeux, appelés cadres organométalliques hiérarchiques (MOF), tout en les sondant à l'échelle atomique.
Découvertes il y a seulement 25 ans environ, leurs propriétés particulières leur ont rapidement valu la réputation de « matériaux miracles », capables même de récupérer l'eau de l'air. Les chercheurs décrivent comment le matériau y parvient dans ACS Applied Materials &Interfaces. .
« Ces matériaux très particuliers sont des solides très poreux constitués de métaux ou d'amas métal-oxygène qui sont reliés de manière modulaire par des piliers de produits chimiques organiques. Cet agencement 3D conduit à des réseaux de cavités rappelant les pores d'une éponge de cuisine. ce sont ces cavités qui nous intéressent", déclare le Dr Ahmed Attallah de l'Institut de radiophysique du HZDR.
Ces pores à l'échelle nanométrique constituent la base d'une multitude d'applications potentielles, allant du stockage de gaz à la technologie de séparation, en passant par la catalyse et les nouveaux capteurs, et la récupération de l'eau est l'une des plus prometteuses.
L’équipe a synthétisé deux MOF à base des métaux zirconium et hafnium, maintenus en place par la même structure organique. Ensuite, les scientifiques ont approfondi les caractéristiques des matériaux obtenus en appliquant diverses techniques complémentaires.
D’une part, ils ont déterminé la quantité d’azote ou de vapeur d’eau pouvant être piégée dans les pores du matériau. D'un autre côté, ils ont examiné de plus près le mécanisme exact de l'adsorption de l'eau dans les MOF, qui jusqu'à présent n'était pas bien compris.
"Pour faire la lumière sur le processus, nous avons utilisé une technique non destructive connue sous le nom de spectroscopie de durée de vie d'annihilation de positrons, ou en bref, PALS, dans laquelle un positon interagira avec des électrons - ses antiparticules - annihilant ainsi puis libérant des rayons gamma qui peuvent être détecté", a déclaré le Dr Andreas Wagner, directeur du Centre ELBE pour les sources de rayonnement de haute puissance au HZDR.
"Le temps entre l'émission de positrons provenant d'une source radioactive et la détection ultérieure de rayons gamma correspond à la durée de vie des positrons. Cela dépend à son tour de la rapidité avec laquelle ils rencontrent les électrons."
Si des vides sont présents dans le matériau, comme des nanopores, les positrons et les électrons ont tendance à former des atomes dits de positronium, avec un électron et un positron chacun, en orbite autour de leur centre de masse commun, se dirigeant droit l'un vers l'autre jusqu'à ce que la paire de particules soit soit dispersé, soit anéanti, selon la première éventualité.
Puisque ces atomes exotiques vivent plus longtemps dans des vides plus grands, ils révèlent des informations sur la taille et la distribution du vide. Les chercheurs ont découvert que l’adsorption de l’eau dans les MOF était principalement régie par un mécanisme de remplissage par étapes, incluant la formation de ponts liquides dans les pores. L'adsorption de l'eau était influencée par la formation d'amas d'eau à la surface des pores, qui créaient de petits espaces d'air dans les pores.
"En raison de la ressemblance chimique étroite des métaux zirconium et hafnium, les structures métallo-organiques résultantes ont exactement les mêmes tailles de pores et une stabilité chimique élevée, ce qui nous permet d'évaluer en même temps la validité de notre méthode", professeur Stefan Kaskel, Chaire de chimie inorganique I à l'Université technique de Dresde, explique. Les recherches de son groupe se concentrent sur le développement de nouveaux matériaux fonctionnels pour diverses applications, telles que le stockage et la conversion d'énergie, la catalyse environnementale et l'adsorption d'eau.
Sur la base de ces résultats, les chercheurs concluent que leur étude fournit de nouvelles informations sur le mécanisme d'adsorption de l'eau dans les MOF hiérarchiques, ce qui pourrait aider à concevoir de meilleurs matériaux pour la récupération de l'eau de l'air, ce qui est particulièrement important dans les régions arides. En exposant les MOF à l’air, ils peuvent capter les molécules d’eau de l’atmosphère. Ensuite, en appliquant de la chaleur ou en réduisant la pression, l'eau peut être libérée et utilisée.
Les scientifiques réfléchissent déjà plus loin :la technologie est-elle adaptée aux solutions commerciales ? Comme l'a rapporté un autre groupe sur le terrain, 1,3 litre d'eau par kilogramme de MOF par jour provenant de l'air du désert donne une idée de l'ampleur du rendement actuellement réalisable.
Cependant, pour obtenir une solution globale et durable, d’autres facteurs doivent être pris en compte au-delà du rendement. "Pour augmenter la collecte de l'eau avec les MOF, ils devraient être accessibles en grande quantité à moindre coût. En outre, les voies de synthèse traditionnelles nécessitent de grandes quantités de solvants organiques ou l'acquisition de composants de base coûteux", soulignent Kaskel et Attallah en soulignant les pièges possibles de cette entreprise.
Pour les éviter, des procédures de synthèse dites « vertes » récemment développées prendront de l'ampleur à l'avenir, garantissant une production écologique de MOF.
L'équipe de Dresde adhère déjà à cette idée en suivant les principes de la chimie verte, tels que l'utilisation de l'eau comme solvant, l'exécution de réactions à basse température permettant d'économiser de l'énergie et l'exploitation des déchets comme sources de métaux et de lieurs organiques.
Plus d'informations : Ahmed G. Attallah et al, Démêler le mécanisme d'adsorption de l'eau dans les MOF hiérarchiques :aperçus des études sur la durée de vie de l'annihilation de positons in situ, Matériaux et interfaces appliqués ACS (2023). DOI :10.1021/acsami.3c10974
Informations sur le journal : Matériaux et interfaces appliqués ACS
Fourni par l'Association Helmholtz des centres de recherche allemands
